380 VE 154 KV’LUK KUZEYBATI ANADOLU
EBEKESİ GÜÇ AKII BENZETİMLERİ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Elek.Müh. Nihat PAMUK
Enstitü Anabilim Dalı : ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜH.
Enstitü Bilim Dalı : ELEKTRİK
Tez Danışmanı : Yrd. Doç. Dr. Yılmaz UYAROĞLU
Ocak 2009
ii
Elektrik enerjisinin günümüzde tüm alanlarda kullanılması ve yaşam standardını arttıran hususlardan biri olması, güç sistemi planlanmasının önemini arttırmaktadır. Kesintisiz, kaliteli ve güvenilir enerjinin sosyal ve ekonomik yönden önemi yanında, enerji harcamaları büyük yatırımlar gerektirir.
Yatırım harcamalarının fazla olması ve tesis edilmesinin uzun sürmesi, seçilecek ekipmanların uzun süre kullanılacak olması güç sistemi planlanmasının önemini arttırmaktadır.
Güç sistemi planlanmasındaki amaç, tüketim tesislerine sabit gerilimde, sabit frekansta ve sürekli enerji sağlamak olduğundan, güç sistemi planlamasına tüketimlerin gelişimi dikkate alınarak başlanır.
Gerekli olan tüm planlama aktiviteleri (üretim planlaması, iletim planlaması) tüketimin gelişimi yönünde yapılır.
Bu tez çalışmasında, kuzeybatı anadolu şebekesinin güç akışı analizi yapılarak güç sistemi planlanması incelenmiştir. Çalışmalarım boyunca beni destekleyen, bilgi ve birikimlerini paylaşan, tezin yazılması sırasında beni yönlendiren tez danışmanım değerli hocam Yrd.Doç.Dr. Yılmaz UYAROĞLU’na, çalışmamda kullandığım verileri elde etmemde yardımlarını esirgemeyen çok değerli kuzeybatı anadolu yük tevzii çalışanlarına ve manevi katkılarını her zaman hissettiğim sevgili arkadaşlarıma çok teşekkür ederim.
Son olarak her zaman benimle birlikte olduklarını bilmekten mutluluk duyduğum sevgili aileme en içten sevgi ve şükranlarımı sunarım.
Nihat PAMUK
iii
İÇİNDEKİLER
TEŞEKKÜR... ii
İÇİNDEKİLER ... iii
SİMGELER VE KISALTMALAR LİSTESİ... vi
ŞEKİLLER LİSTESİ ... vii
TABLOLAR LİSTESİ... ix
ÖZET... x
SUMMARY... xi
BÖLÜM 1. GİRİŞ... 1
BÖLÜM 2. ELEKTRİK ENERJİSİNİN ÖNEMİ... 4
2.1. Elektrik Enerjisinin Uygulama Alanları... 5
2.2. Elektrik Enerjisinin Kalitesi... 6
2.3. Türkiyedeki Elektrik Enerjisinin Durumu... 8
2.4. Türkiyedeki Elektrik Enerjisi Üretimi ve Tüketimi... 9
2.5. Enerji İletim Sistemi Elemanlarının Genel Olarak Tanıtılması... 11
2.5.1. İletken malzemeler... 11
2.5.1.1. Çelik özlü alüminyum iletkenler... 12
2.5.1.2. Demet iletkenler... 14
2.5.2. Enerji iletim hatlarının ülkemizdeki uygulamaları... 14
2.5.2.1. İletim hatlarında çaprazlama... 15
2.5.3. Koruma telleri... 15
2.5.4. İzolatörler... 16
2.6.İletim Hat Parametreleri... 17
iv
2.7.2. Üç fazlı şebekelerde per-unit değerlerin hesaplanması... 20
BÖLÜM 3. YÜK AKIŞI VE KISITLILIK ANALİZLERİ... 22
3.1.Yük Akışı Analizi... 23
3.1.1. Bara tipleri... 23
3.1.2. Düğüm denklemi... 24
3.1.3. İterasyon metotları... 25
3.1.3.1. Gauss seidel metodu... 25
3.1.3.2. Newton raphson metodu... 29
3.1.3.3. Decoupled,fast decoupled newton raphson metodu.... 31
3.2.Yük AkışıAnalizindeKullanılanİterasyon Metotlarını Karşılaştırma 34 3.3.Yük Akışı Analizlerinin Kullanıldığı Alanlar... 35
3.4.Yük Akışı Analizinde Kullanılacak Program ve ÇözümYöntemleri 36 BÖLÜM 4. ENTERKONNEKTE SİSTEMİN GELİŞİMİ... 37
4.1. Kuzeybatı Anadolu Şebekesinin Tanıtılması... 38
4.2. Kuzeybatı Anadolu Şebekesinin Görevleri... 47
4.3.Tüketim İhtiyacına Göre Elektrik Üretimi ve İletimininSağlanması 47 4.3.1. Enerji üretimi... 47
4.3.2. Enerji iletimi... 47
4.4. Sistem Gerilim ve Frekansının Belirli Sınırlar İçinde Tutulması... 48
4.4.1. Gerilimin belirli sınırlar içerisinde tutulması... 48
4.5. Enterkonnekte Sistemde Frekans Kontrolü... 50
4.5.1. Şebeke davranışı... 50
4.5.2. Hız regülatörleri... 52
4.5.2.1. Astatik karakteristikli regülatör... 52
4.5.2.2. Statik karakteristikli regülatör... 52
4.6. Yük Atma... 53
v
UYGULAMA PROGRAMI PSAT... 56
5.1.GüçAkışıAnalizindeKullanılacak olan PsatProgramınınTanıtılması 57 5.2.Psat Programındaki Veri Kategorilerinin Tanımlanması... 65
5.2.1. Bara verileri... 65
5.2.2. Yük verileri... 65
5.2.3. Jeneratör verileri... 65
5.2.4. Slack Bara verileri... 66
5.2.5. Hat verileri... 66
5.2.6. Kesici verileri... 67
5.2.7. Ototrafo verileri... 67
5.3. Psat Yazılımında Kullanılan Yük Akışı Metotları... 67
5.4. Kuzeybatı Anadolu Şebekesinin Sisteme Uyarlanması... 68
BÖLÜM 6. KUZEYBATI ANADOLU ŞEBEKESİNİN YÜK AKIŞI VE KISITLILIK ANALİZİ... 70
6.1. Yükler... 70
6.2. Kapasitörler... 70
6.3. Üretimler... 70
6.4. 2008 Yılı Kuzeybatı Anadolu Şebekesinin Yük Akışı... 71
6.5. 2008 Yılı Kuzeybatı Anadolu Şebekesi Kısıtlılık Analizi... 71
BÖLÜM 7. SONUÇLAR... 73
7.1.KuzeybatıAnadolu Şebekesi YükAkışı ve Kısıtlılık Analizi Sonucu 73 BÖLÜM 8. ÖNERİLER ... EKLER... 79 82 KAYNAKLAR ...………... 94
ÖZGEÇMİŞ……….……….. 97
vi
V : Gerilim
I : Akım
Y bara : Bara Admitans Matrisi
Z bara : Bara Empedans Matrisi
δ : Gerilim Açı Değeri
J : Jakobian Matris
R : Reaktans
L : Endüktans
CosФ : Güç Faktörü
Ф : Faz Açısı
B : Suseptans
P : Aktif Güç
Q : Reaktif Güç
S : Görünür Güç
F : Frekans
P.u. : Per-Unit Değer Cv : Yakınsama Katsayısı
DGKÇS : Doğal Gaz Kombine Çevrim Santrali EİH : Enerji İletim Hattı
TM : Transformatör Merkezi
ACSR : Alüminium-Conductor Steel Reinforced MATLAB : Matrix Laboratory
GUI : Graphical User Interface
PSAT : Power System Analysis Toolbox TEİAŞ : Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketi EPDK : Enerji Piyasası Düzenleme Kurulu
vii
Şekil 2.1. Tüketici bölgesinin örnek bir günlük yük eğrisi... 10
Şekil 2.2. Çelik-alüminyum iletkenin kesiti... 13
Şekil 2.3. İletim hatlarında çaprazlama…... 15
Şekil 4.1. Yük artışı sırasında frekansa göre üretim-tüketim eğrisi…... 51
Şekil 4.2. Üretim-tüketim ve frekansın zamana bağlı olarak değişimi... 51
Şekil 4.3. Astatik karakteristikli regülatör………. 52
Şekil 4.4. Statik karakteristikli regülatör………... 53
Şekil 4.5. Düşük frekansta yük atma……….. 54
Şekil 5.1. Matlab programının çalıştırılması……….. 57
Şekil 5.2. Komut satırına psat yazılması……… 58
Şekil 5.3. Psat programının açılışı...……….. 58
Şekil 5.4. Psat programının ekranı...……….. 59
Şekil 5.5. Psat veri dosyasının yükleneceği ekran... 59
Şekil 5.6. M-file’da yazılan data dosyasının seçimi... 60
Şekil 5.7. Psat’a KBA’nın verilerini içeren klasörün yüklenmesi... 60
Şekil 5.8. KBA’nın yükleneceği psat ekranı...……….. 61
Şekil 5.9. General Settings ekranı...……….. 61
Şekil 5.10. Güç akışının olduğu analiz ekranı... 62
Şekil 5.11. Güç akışı sonucunda yapılan iterasyonları gösteren analiz ekranı. 62 Şekil 5.12. Psat programı tarafından oluşturulan özet rapor... 63
Şekil 5.13. Raporun analiz sonucu bara gerilimlerini gösteren bir bölümü... 64
Şekil 5.14. Raporun analiz sonucu yük akışlarını gösteren bir bölümü... 64
Şekil 7.1. Bara gerilimlerinin değerleri... 75
Şekil 7.2. Bara gerilimlerinin p.u. değerleri... 75
Şekil 7.3. Bara gerilimlerinin açıları (radyan cinsinden)... 75
Şekil 7.4. Bara gerilimlerinin açıları (derece cinsinden)... 75
viii
Şekil 7.7. İstasyonların reaktif gücü... 76 Şekil 7.8. İstasyonların reaktif gücü (p.u.cinsinden)... 76
ix
Tablo 2.1. Türkiye’de 1973-2008 yılları arasındaki kurulu güç durumu... 8 Tablo 2.2. Çelik-alüminyum (ACSR) iletkenlerin özellikleri... 13 Tablo 4.1. Kuzeybatı anadolu şebekesindeki 380 ve 154 kv’luk enerji iletim
hatlarının bara kodları ve isimleri... 39 Tablo 4.2. Kuzeybatı anadolu şebekesindeki enerji iletim hatlarının 154 kv
100 MVA bazdaki empedansları... 40 Tablo 4.3. 15.12.2008’deki kuzeybatı anadolu şebekesinin sorumluluğunda
bulunan istasyonlardaki yük durumları ve açıları... 44 Tablo 4.4. Kuzeybatı anadolu şebekesinin sorumluluğunda bulunan üretim
santralleri ve üretim değerleri... 46 Tablo 6.1. Kuzeybatı anadolu şebekesinin 2008 yılı kısıtlılık analizi özeti.... 72 Tablo 7.1. Psat değerleri ile gerçek sistem değerlerinin karşılaştırılması... 74
x
Anahtar kelimeler: Güç Sistemleri, Yük akışı, Kısıtlılık analizi
Bu çalışmada Türkiye’deki 380 ve 154 Kv’luk enerji iletim hatlarıyla birbirine bağlı, 18 üretim ve 96 yük barasından oluşan 114 baralı enterkonnekte kuzeybatı anadolu güç şebekesi ele alınarak, kurulacak yeni sistemlerin planlanması amacıyla güç akışı ve kısıtlılık analizi yapılmıştır.
Bütün bu çalışmalarda MATLAB’da geliştirilen PSAT programı kullanılmıştır. MATLAB’daki PSAT programında grafiksel kullanıcı arayüzü (GUI) kullanılarak farklı güç sistemleri için güç akışı analizleri yapılabilmektedir. PSAT programında Newton-Raphson iterasyon metodu kullanılarak yük akışı ve kısıtlılık analizleri yapılmıştır. Analizlerin sonucuna göre ilave transformatörler, iletim hatları ve elektrik üretim üniteleri belirlenmiştir.
xi
SUMMARY
Key Words: Power Systems, Load Flow, Contingency Analysis
In this thesis the power flow and contingency analysis are made, based on Turkey’s interconnected northwest anatolia power system which consists of 18 generation and 96 load bus totaling 114 bus connected each other with 380 and 154 Kv energy transmission lines, to plan next generation new power systems.
All these studies are implemented using PSAT program in MATLAB. PSAT program due to the graphical user interface (GUI) the written program can be used power flow analysis for different power systems. Load flow and contingency analysis are made by using Newton Raphson iterative method in PSAT program. As a result of studies additional transformers, transmission lines and electricity production units are determined.
Kullanım kolaylığı, istenildiğinde diğer enerji türlerine dönüştürülebilmesi ve günlük hayattaki yaygın kullanımı nedeniyle, elektrik enerjisi tüketimi yıldan yıla artmış ve bugün elektrik enerjisinin tüketimi ülkelerin gelişmişlik düzeylerinin en önemli göstergelerinden biri olmuştur. Bu artan talebi en uygun şekilde karşılayabilmenin yolu, ileriye dönük planların önceden yapılması ile mümkündür [1]. Bu nedenle elektrik enerji sistemlerinde güç akışı analizini uygulamanın önemi artmıştır.
Güç akışı yöntemi ile sistemin en uygun çalışma noktaları belirlenir, bu çözümden salınım barası haricindeki tüm bara gerilimlerinin genlikleri ve açıları bulunmaktadır.
Daha sonra, sistemdeki hatlardan iletilen, aktif ve reaktif güçler ve hatlardaki kayıplar hesaplanmaktadır. Optimal güç akışı analizi, üretim birimlerinin sistemin maliyetini minimuma indirebilecek şekilde yüklenmesini ve aynı zamanda tüm bara gerilimlerinin genlikleri ve açılarını, reaktif güçlerini hesaplar [1].
Güç sisteminin tasarımı ve işletilmesi oldukça karmaşık bir problemdir [1].
Bilgisayar teknolojisindeki gelişmeler sonucunda güç sistemlerinin, oluşturulan yazılımlarla benzetimi yapılmaktadır. Güç akışı analizi ile ilgili olarak yapılan başlıca çalışmalar şunlardır :
1. 1963 yılında Brown H.E, G.K.Carter, H.H.Happ ve C.E.Peterson tarafından, empedans matrisi öteleme yöntemiyle güç akışı çözümleri yapılmıştır [1].
2. 1967 yılında, Tinney W.F. ve C.E.Hart tarafından yapılan çalışmada daha önce yapılan güç akışı çözümlerine alternatif olarak daha az ötelemede sonuca yakınsayan Newton yöntemi ve bu yöntemin çözümüne yer verilmiştir [1].
3. 1968 yılında Hermann ve Tinney tarafından yapılan çalışmada, optimal güç akışı çözüm yöntemlerine değinilmiş gradient yöntemiyle problemlerin çözümüne yer verilmiştir [2].
4. 1972 yılında Stoot B. tarafından, ayrıştırılmış Newton güç akışı uygulaması yapılmıştır.
5. 1974 yılında Stoot B. ve O.Olsacc tarafından, hızlı ayrıştırılmış güç akışı analiziyle ilgili çözümler anlatılmıştır.
6. 1974 yılında Rashed ve Kelly tarafından yapılan çalışmada, lagrange çarpanları, hessian ve jakobian matrisleri ile geliştirilen algoritmaya yer verilmiştir [3].
7. 1977 yılında Happ tarafından yapılan çalışmada, klasik ekonomik dağıtım yöntemi ve optimal ekonomik dağıtım yöntemleri karşılaştırılmıştır [4].
8. 1982 yılında R.C.Burchett, H.H.Happ, D.R.Viearath ve K.A.Wirgau tarafından yapılan çalışmada optimal dağıtım için, güç akışı yönteminin uygulanmasına yer verilmiştir [5].
9. 1984 yılında D.I.Sun, B.Ashley, B.Brewer, A.Hughes ve W.F.Tinney tarafından yapılan çalışmada Kuhn Tucker optimallik şartları kullanılarak geliştirilen Newton yöntemiyle optimal güç akışı problemlerinin çözümüne yer verilmiştir [6].
10. 1990 yılında Alsac, J.Bright, M.Prais ve B.Stott tarafından yapılan çalışmada, optimal güç akışı problemlerinin çözümüne alternatif olarak, doğrusal olmayan bu problemler doğrusallaştırılmasıyla ilgili çalışmalara yer verilmiştir [7].
11. 1993 yılında Y.Wu, A.S.Debs ve R.E.Marsten tarafından yapılan çalışmada, güç akışı problemlerinin iç nokta yöntemiyle çözümüne yer verilmiştir [8].
12. 2003 yılında Lukman ve Blackburn tarafından yapılan çalışmada, güç sistemlerinde kayıpların minimuma indirilmesiyle ilgili çalışmalara yer verilmiştir [9].
13. 2007 yılında Zhiqiang Y., Zhijian H., Shuanven K., tarafından yapılan çalışmada, istatiksel çözümleri kullanarak, ekonomik dağıtım ve güç akışı problemlerinin çözümüne yer verilmiştir [10].
Bu çalışmada, Türkiye’nin Kuzeybatı Anadolu Şebekesi’ndeki 380 ve 154 Kv’luk enerji iletim hatlarından meydana gelen 114 baralı enterkonnekte sistem ele alınmıştır. Bu sistemde kurulabilecek yeni iletim hatlarının, ilave transformatörlerin ve üretim ünitelerinin planlanması amacıyla, kısıtlılık ve güç akışı analizi yapılmıştır.
Analizin yapıldığı iterasyon metotları karşılaştırılmış, elde edilen analiz sonuçlarına
göre, arıza esnasında sistemde yapılması gerekenler incelenerek alternatif çözüm yolları geliştirilmiştir.
Bütün bu çalışmalar, MATLAB’ın PSAT (Power System Analysis Toolbox) yazılımıyla gerçekleştirilmiştir. Bu yazılım, grafiksel kullanıcı arayüzü (GUIs) kullanılarak farklı güç sistemleri içinde güç akışı, analizleri yapabilmektedir.
Bu tez çalışması, toplam sekiz bölüm ve iki ekten oluşmaktadır.
Birinci bölümde; tezin konusu genel olarak tanıtılmış, konu ile ilgili olarak yapılan birçok çalışmanın literatür özeti sunularak tezin içeriği verilmiştir. İkinci bölümde;
elektrik enerjisinin önemi, uygulama alanları ve kalitesi üzerinde durulmuş, Türkiye’deki elektrik enerjisinin üretim ve tüketim değerleri verilerek yük eğrisi elde edilmiştir. Ayrıca iletim sistemi elemanları genel olarak tanıtılmış ve per-unit sistemler açıklanmıştır. Üçüncü bölümde; yük akışı ve kısıtlılık analizi anlatılmış, yük akışında kullanılan iterasyon metotları verilerek, birbirlerine göre üstünlükleri karşılaştırılmıştır. Dördüncü bölümde; enterkonnekte sistemin gelişimi üzerinde durulmuş, kuzeybatı anadolu şebekesi tanıtılarak gerilim ve frekansın nasıl belirli sınırlar içerisinde tutulduğu anlatılmıştır. Beşinci bölümde; güç akışı benzetiminde kullanılan psat programı tanıtılarak, psat programında kullanılan kuzeybatı anadolu şebekesi verilerinin programa nasıl uyarlandığı açıklanmıştır. Altıncı bölümde;
kuzeybatı anadolu şebekesinin yük akışı ve kısıtlılık analizi yapılmıştır. Yedinci bölümde; iletim sistemlerinde yük akışı ve kısıtlılık analizi yapmanın faydaları anlatılarak, yapılan benzetimin gerçek sistem ile karşılaştırılması verilmiştir.
Sekizinci bölümde; güç akışı ve kısıtlılık analizine göre sistemde yapılması gereken planlamalar önerilmiştir. Ek bölümünde ise; kuzeybatı anadolu şebekesinin tek hat şeması ve psat ortamındaki analiz sonuçları verilmiştir.
BÖLÜM 2. ELEKTRİK ENERJİSİNİN ÖNEMİ
Elektrik enerjisi bugünkü sosyal ve ekonomik yaşamın en başta gelen temel gereksinimlerinden biridir. Gelişen teknoloji, yükselen yaşam düzeyi ve artan nüfusla birlikte bu enerjiye olan gereksinme her geçen gün büyük ölçüde artmaktadır. Bu önemli talebin istenen miktar ve kalitede, ekonomik olarak karşılanabilmesi için yapılan/yapılacak faaliyetler ekonomik sorunların yanında çevresel etkiler de oluşturmaktadır. Ancak üretim, iletim ve dağıtım tesislerinin kurulması, işletilmesi, kumandası, izlenmesi ve kontrol edilmesindeki kolaylıkların yanında temiz oluşu ve istenen enerji şekline istenen yerde, istenilen miktarda dönüştürülebilir olması nedeniyle her zaman tercih edilir olmuştur ve rahatlıkla söylenebilir ki gelecekte de tercih edilir olacaktır. Bu özelliklerinin yanında bu enerjiden faydalanmak için geliştirilen/üretilen elektrikli makine, alet ve cihazların ucuz, işletilmelerinin kolay ve pratik olması da elektrik enerjisinin önemini bir kat daha arttırmıştır.
Bir ülkenin sosyal ve ekonomik olarak kalkınmasında en önemli destek unsurlarından birisi hiç şüphesiz elektrik enerjisidir. Gelişen ülkelerin sosyal ve ekonomik kalkınmasında bu enerji çeşidinin katkısı çok büyük olmuştur. Bu ülkeler gelişmişliklerini, kaynaklarını verimli ve doğru kullanarak ürettikleri bol ve ucuz elektrik enerjisinden faydalanmalarına borçludurlar.
Elektrik enerjisi, özellikle kömür, petrol, doğal gaz, hidrolik ve nükleer enerji kaynaklarından, az miktarlarda rüzgar, atıklardan, güneş ve denizlerdeki dalgalardan yararlanılarak üç fazlı akım şeklinde üretilmektedir.
Enerji kaynaklarının çok önemli bir kısmı doğası gereği yerleşim alanlarına ya da tüketim merkezlerine uzakta olup, önemli bir kısmı da çevresel etkilerden dolayı daha ziyade yerleşim alanlarından uzakta tesis edilmektedir. Daha sonra tüketim merkezlerine ekonomik bir gerilimle iletilmekte, daha düşük gerilimlere
dönüştürülerek dağıtılmakta ve ihtiyaca göre diğer enerji şekillerine çevrilerek çok yönlü amaçlar için kullanılmaktadır.
Ülkemiz çok zengin olmamakla birlikte diğer enerji kaynaklarına oranla önemli linyit yataklarına ve hidrolik potansiyele sahiptir. Bu kaynakların tam olarak faaliyete geçirilmesi için büyük yatırımlara ve süreye ihtiyaç vardır. Son yıllarda tesis ve işletmesinin kolay, yakıtının ise nispeten ucuz olması dolayısıyla ithal kaynaklardan yararlanarak doğal gaz çevrim santralleri kurulmuştur. Bu tesisler daha ziyade ülkemizdeki liberizasyon atmosferine uygun olarak yap-işlet, yap-işlet-devret modelleriyle özel teşebbüs tarafından kurulmaktadır. Ülkemizin gelecekte daha fazla enerjiye ihtiyaç duyacağı göz önünde bulundurularak mevcut doğal kaynakların kısa sürede faaliyete geçirilmesi gerekir.
2.1. Elektrik Enerjisinin Uygulama Alanları
Elektrik enerjisi, üretim, iletim ve dağıtım tesislerinde kullanılan teçhizatın yapım tekniklerindeki gelişmeler, kumanda, kontrol ve ölçüm sistemlerindeki yenilikler sayesinde çok daha kullanışlı hale gelmiştir. Elektrik enerjisi sayesinde ülkemizin halen işletmede olan kaynaklarından, ülkemizin her tarafındaki tüketiciler ekonomik olarak çok uygun şekilde istifade edebilmektedirler. Sanayinin bilim ve teknolojinin gelişiminde bugünkü uygarlık düzeyinin kurulmasında elektrik enerjisinin büyük katkısı olmuştur.
Elektrik enerjisi günlük hayata ilk girdiği şekliyle, sadece aydınlatma aracı olarak kalmamış, başta tahrik sistemlerinde olmak üzere sosyal ve ekonomik hayatın her alanında uygulama bulmuştur. Sanayide verimli iş makinelerinin, kumanda ve kontrol sistemlerinin de kullanılmasıyla daha çok üretim daha ucuza mal edilir hale gelmiştir. Bilgisayar ve haberleşme teknikleriyle üretilen mal ve hizmetler daha rekabetçi ortamda hem ülke içinde, hem de ülke dışında rahatlıkla pazarlanır hale gelmiştir.
Elektrik enerjisi sanayiden başka, bilimde, tarımda, tıpta, elektronikte, basım-yayında haberleşme hizmetlerinde, bilgisayar teknolojilerinde, askeri alanlarda, atölyelerde,
resmi ve özel binalarda, ticarette, meskenlerde, turistik yerlerde, ulaşımda, eğlencede, özet olarak bugünkü sosyal ve ekonomik yaşamın her sahasında çok çeşitli uygulama alanları bulmuştur.
Bilindiği gibi elektrik, güneşten sonra çevremizi aydınlatan başlıca aydınlatma aracıdır. Elektrikli aydınlatmanın günümüzde önemi büyüktür. Göz sağlığı, iş emniyetinin sağlanması, iş veriminin arttırılması, güvenliğin devamı, trafiğin düzenlenmesi gibi hususlarda elektrikli aydınlatma büyük önem kazanır. Fizyolojik aydınlatmanın yanında, dekoratif aydınlatma ile göz zevki geliştirilmiş, güzelliklerimiz, buna tarihi ve turistik eserlerimiz de dahil olmak üzere daha hoş sunuma ulaşarak, daha etkileyici olmuştur. Reklam aydınlatmasıyla ticari ürünler daha çok alıcı bulmuştur.
Elektriğin uygulama alanlarından biri de ulaşımdır. Demiryolları, banliyö ve metrolar hem enerjinin temiz, hem de tesis, işletme, bakım ve kontrol özelliklerinden dolayı elektrik enerjisinden çok büyük oranda yararlanmaktadırlar. Elektrik enerjisi kırsal kesimde başta sulama, hayvancılık, süt ve ürünlerinin işlenmesi, soğuk hava depolarının yapılması ile meyvecilikte yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Elektrik enerjisi bugün konutların değişmez ve en acil ihtiyaçlarından biri olmuş, hayatımızı büyük ölçüde kolaylaştırmıştır. Başlangıçta aydınlatmada kullanılan elektrik enerjisi artık hemen hemen her alanda kullanılmaya başlanmıştır.
2.2. Elektrik Enerjisinin Kalitesi
Sosyal ve ekonomik hayatın vazgeçilmez bir parçası olan elektrik enerjisinin faydalı olabilmesi için tüketicilerin arzu ettiği kalitede sunulması gerekir. Bu maksatla üretim, iletim ve dağıtım tesislerinde gerekli tedbirler alınarak tüketicilerin güven duyabileceği ve standartların öngördüğü kalitede enerjiyi kullanıma hazır tutmak gerekir. Uygulamalarda elektrik enerjisi diğer girdilerden oldukça farklıdır. Üretim merkezi, tüketim merkezinden çok uzakta ve diğer üretim merkezleriyle paralel olarak bir şebekeyi besleyerek tüketim merkezlerine çok uzun havai hatlardan ve daha sonra çoğu kez yeraltı kablolarından ve birçok transformatörden geçtikten sonra ulaşır. Son yıllarda sisteme, özelleştirme faaliyetleri paralelinde bağlanan çok
sayıdaki farklı üretim tesisleri arasında gerekli koordinasyonu sağlamak, enerji kalitesi açısından daha büyük önem oluşturmuştur. Enerji kalitesinin tüketim noktasında istenen düzeyde güvence altına alınması kolay değildir ve standart dışı enerjinin ret ya da uzaklaştırılması da mümkün değildir.
Çok hassas tüketiciler için enerjinin kalitesi çok daha önemlidir. Enerji kalitesi hakkında sınırlı istatistik bilgiler mevcut olmakla birlikte, üretici tarafından kabul edilebilir bir kalite düzeyi, tüketicinin ihtiyaç duyduğundan veya istediğinden farklı olabilir. Çok sık karşılaşılan kalite problemleri birkaç saniyeden birkaç saate kadar devam edebilen elektrik kesilmeleri, gerilim düşümleri ve frekanstaki oynamalardır.
Uzun süreli kesintiler doğal olarak bütün tüketicileri etkilemekte, kısa süreli kesintiler ise işletmenin özelliğine göre son derece olumsuz etkiler yaratabilmektedir.
Sürekli çalışan işletmelerde kısa süreli bir kesinti henüz ürüne dönüşmemiş önemli miktarda malzeme ve hammaddenin kullanılmayacak duruma gelerek hurdaya veya tekrar işlenmek üzere çeşitli depolara gönderilmesine neden olabilir. Örneğin petrol rafinerisinin bir ünitesinde çok kısa süreli bir kesintinin maliyeti iki milyon dolar civarında olup, tesisin tamamının devre dışı olması halinde bu maliyet dört milyon dolara kadar çıkmaktadır. Maddi kaybın yanında kontrolsüz bir duruş olduğundan yangın, patlama ve tehlikeli gazların çevreye yayılmasıyla hem maddi kaybın boyutu büyük ölçüde artacak hem de can güvenliği büyük ölçüde tehlikeye düşecektir.
Çevreye verilecek zararlar da oldukça büyük olacaktır.
Çok aşamalı işletmelerde, prosesis herhangi bir aşamasında meydana gelebilecek bir enerji kesintisi, önceki operasyonları geçersiz kılabilir. Bilgi işlem sistemlerinde proses maliyeti düşük buna mukabil yapılan işlemin değeri çok yüksektir. Bir ticari işlemin gerçekleştirilememesi operasyon maliyetinden çok daha fazla kayıplara neden olabilir.
Yukarıda örnekleri verilen kritik işletmelere çok sayıda ilave yapılabilir. Özellikle son yıllarda büyük ölçüde elektronik ortama kayan bankacılık hizmetleri, haberleşme sistemleri, bilgisayar ortamında yapılan her türlü faaliyetler sayılabilir. Bunların hemen hemen hepside son derece kaliteli enerjiyi talep etmektedirler. Kaliteli enerji
olarak “enerjinin her zaman kullanıma hazır, gerilim ve frekans değerleri standartların öngördüğü limitler dahilinde ve sinüs eğrisi şeklindeki dalga formuna sahip kaynak” anlaşılmalıdır. Mükemmellikten sapmanın hangi ölçüde ve kabul edilebilir limitler içinde olacağı kullanıcı uygulamalarına, tesis edilen cihaz ve sistemlere ve kullanıcının kendi ihtiyaçlarına olan bakış açısına bağlı olarak değişir.
Elektrik enerjisini tüketiciler için olabildiğince sürekli kılmanın çok çeşitli yolları vardır. Yükün büyüklüğü, yeri, önemi ve kesintiye dayanabilme süresi alınacak tedbirlerin, yapılacak ilave yatırımların belirlenmesinde önemlidir. İşletmeler veya tüketiciler sistemdeki kesintilerden şebekenin başka bir noktasına yapacakları bağlantılarla daha az etkilenebilirler.
Sistemin her iki noktasının aynı anda etkilenme olasılığı düşüktür. Bir kesinti halinde ilave kaynak el ile veya otomatik olarak çok kısa sürede devreye girerek, tüketicileri besler. İşletmeler veya genel olarak tüketiciler sistemdeki kesintilerde devreye otomatik olarak girecek ve belirli bir süre için çalışacak çeşitli yakıtlarla çalışan jeneratörler tesis edebilirler. İşletmeler sistemdeki kalitesizliklerden çok etkileniyorsa bağımsız olarak kendi enerjilerini üretebilir, sistemle paralel çalışabilir ya da bir arıza halinde sisteme bağlanabilirler.
Sonuç olarak elektrik enerjisinde kalitenin garanti altına alınması, başlangıç aşamasında iyi bir tasarım, etkin ve uygun besleme kaynağı, cihaz seçimi, enerjiyi sunan kuruluşlarla sürekli işbirliği, sürekli kontrol ve dikkatli bakım gerektirmektedir
2.3. Türkiye’deki Elektrik Enerjisinin Durumu
1923 yılında kurulu güç 33 MW iken bugün 1265 kat artarak 41738MW’a ulaşmıştır.
Tablo 2.1’de 1973-2008 yılları arasında santrallere göre kurulu güç durumu verilmiştir [11].
Tablo 2.1 Türkiye’de 1973-2008 Yılları Arasında Kurulu Güç Durumu
Yıl Termik
(MW) Hidrolik
(MW) Jeo+Rüzgar
(MW) Toplam
(MW) Artış(%)
1973 2207,1 985,4 0 3192,5 17,7
1974 2282,9 1449,2 0 3732,1 16,9 1975 2407 1779,6 0 4186,6 12,2 1976 2491,6 1872,6 0 4364,2 4,2 1977 2854,6 1872,6 0 4727,2 8,3 1978 2987,9 1880,8 0 4868,7 3 1979 2987,9 2130,8 0 5118,7 5,1 1980 2987,9 2130,8 0 5118,7 0 1981 3181,3 2356,3 0 5537,6 8,2 1982 3556,3 3082,3 0 6638,6 19,9 1983 3695,8 3239,3 0 6935,1 4,5 1984 4584,3 3874,8 17,5 8459,1 22 1985 5244,3 3874,8 17,5 9119,1 7,8 1986 6235,2 3877,5 17,5 10112,7 10,9 1987 7489,3 5003,3 17,5 12492,6 23,5 1988 8299,8 6218,3 17,5 14518,1 16,2 1989 9208,4 6597,3 17,5 15805,7 8,9 1990 9550,8 6764,3 17,5 16315,1 3,2 1991 10092 7113,8 17,5 17206,6 5,5 1992 10334 8378,7 17,5 18713,6 8,8 1993 10653 9681,7 17,5 20335,1 8,7 1994 10992 9862,6 17,5 20857,3 2,6 1995 11089 9864,8 17,5 20951,8 0,5 1996 11312 9934,8 17,5 21246,9 1,4 1997 11786 10102 17,5 21889,4 3 1998 13021 10306 26,2 24189 6,7 1999 15555 10537 26,2 26119,3 11,8 2000 16052 11175 36,4 27264,1 4,4 2001 16623 11672 36,4 28332,4 3,9 2002 19385 12240 36,4 31845,8 11,2 2003 22809 12597 36,4 35587 11,1 2004 23603 12616 108,4 36327,4 10,2 2005 24101 12763 176,3 37040,3 10,2 2006 26403 12992 293,4 39688,4 10,7 2007 26997 13403 339,6 40739,6 10,3 2008 27559 13803 376,2 41738,2 10,2
2.4. Türkiye’deki Elektrik Enerjisi Üretimi ve Tüketimi
Üretimin planlanabilmesi için öncelikle tüketimin bilinmesi gerekmektedir. İhtiyaç belirlendikten sonra bu ihtiyacı karşılayacak üretim merkezleri kurulur.
Üretim merkezleri kurulurken tüketim merkezlerindeki ve nüfustaki artışın, tüketim merkezlerine olan uzaklığın, ham enerji kaynaklarına olan uzaklığın, arazinin, ekolojik ve topografik eğrilerinin v.b dikkate alınması gerekmektedir. Bir enerji tüketicisinin 24 saatlik değişimini veren eğriye günlük yük eğrisi denir [12].
10000 20003000 40005000 60007000 80009000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000 18000 19000 20000 21000 22000 23000 24000 25000 26000 27000 28000 29000 30000 31000 32000 33000 34000 35000
Şekil 2.1 Tüketici Bölgesinin Örnek Bir Günlük Yük Eğrisi (19.08.2008)
Günlük yük eğrisi, santralin veya transformatör istasyonunun boyutlandırılmasına yardım eder. Günlük yük eğrisinin yıl boyunca çeşitli mevsimlerdeki şekli değişiktir.
Günlük yük eğrileri yardımıyla düzenlenmiş günlük, aylık, mevsimlik, yıllık yük eğrileri çizilebilir. Düzenlenmiş yük eğrileri, yüklemenin zamana bağlı değerleri yerine, her yük durumunun 24 saat içinde sabit kaldığı süreyi gösterirler [13].
Yük eğrileri, her bir güç değerinin devam ettiği sürenin en büyük değerinden, en küçük değerine sürekli değişimi yerine merdiven eğrisi şeklinde gösterilir [14].
Elektrik enerjisi tüketen bir bölge göz önüne alınıp, bu bölgeye ait günlük yük eğrisi çizilirse günlük yük eğrilerinin hepsi farklı olur. Çünkü tüketiciler farklı miktarda enerji tüketmektedirler. Bu tüketicilerin günlük yük eğrilerinin hepsi toplanarak bir eğri çizilirse o bölgenin tüketici günlük yük eğrisi bulunur. Tüketici bölgenin çektiği maksimum güç puant güç olarak tanımlanır. Bölgenin ihtiyacında puant güç dikkate alınmaktadır.
Tüketicinin enerji gereksinimi hesaplandıktan sonra, tüketim bölgelerindeki puant güç dikkate alınarak üretim santrali kurulur. Santralin gücü en az tüketicinin puant
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 TÜKETİCİ BÖLGESİNİN BİR GÜNLÜK YÜK EĞRİSİ
MW
gücü iletim ve dağıtım kayıpları toplamına eşit olmalıdır. Santral kurulurken bu şart sağlanmazsa tüketiciye puant güçten daha az güç verilebilir [12].
2.5. Enerji İletim Sistemleri Elemanlarının Genel Olarak Tanıtılması
Enerji iletim sistemlerindeki hava hattı elemanları genel olarak faz iletkenleri, koruma telleri ve izolatörlerden oluşmaktadır. 154 Kv ’luk enerji iletim hatlarında örgülü çelik özlü alüminyum iletkenler ve çelik koruma telleri kullanılmaktadır.
Gerilim seviyesi ile çevre ve atmosferik koşullara bağlı olarak normal veya sis tipinde izolatörler kullanılır.
2.5.1. İletken malzemeler
Enerji iletim hatlarında kullanılan iletkenlerin hem enerji iletimi hemde mekanik bakımdan uygun olarak seçilmesi gerekir. İletkenler, gerekli esnekliği sağlamak, askı noktalarında oluşan titreşimler nedeniyle zedelenmeleri, ayrıca iletken yorulmalarını ve kopmalarını önlemek amacıyla damarlı ve spiral sarılmış örgülü şekilde yapılırlar.
Spiral şeklinde örgülü yapılmış iletkenlerde her bir damarın yüzeyinde meydana gelen kir ve oksit tabakası nedeniyle akım, damardan damara değil, spiral olarak sarılmış örgünün içinden akar. Bu bakımdan örgülü iletkenlerin elektriksel hat sabitlerinden direnç ve endüktansları, dolayısıyla endüktif reaktansları aynı kesit ve cinsteki iletkenlere nazaran daha büyüktür. Endüktans artışını azaltmak için damarlar birbirini izleyen katlarda ters yönde sarılmıştır. Örgülü iletkenlerde genel olarak ortada bir damar bulunur ve bu damarın etrafında diğer damarlar oluşturulur.
Hava hattı iletkenlerinde aranan başlıca özellik, iletkenliğin iyi ve çekme dayanımının büyük olmasıdır. Bu özelliklere en uygun malzeme, çekme dayanımı soğuk çekilerek artırılmış olan yarı sert bakırdır.
Soğuk çekme işlemi sırasında bakır iletkenin çekme dayanımının önemli ölçüde artmasına karşılık iletkenliğinde çok az azalma olur. Bakır pahalı ve ağır bir malzeme olduğundan, günümüzde hava hatlarında daha ucuz ve hafif bir malzeme olan alüminyum kullanılmaktadır.
Çelik-alüminyum iletkenlerde çekme dayanımını arttırmak için, ortasında galvanizli örgülü çelik tel veya tellerden öz bulunur. Böylece, çelik-alüminyum iletkenlerin çekme dayanımı %55 - %60 artmış olunur. Çelik-alüminyum iletkenlerde özü oluşturan çelik teller çinko ile kaplanır. Bu işleme sıcak galvanizleme adı verilir. Son yıllarda, öz olarak alüminyum kaplı çelik teller de kullanılmaktadır. Böylece çok iyi korozyon dayanımı sağlamakla birlikte iletkenlik de artırılmış olunur.
Alüminyum iletkenlerin üzerinde oluşan oksit katmanı yalıtkan olduğu için eklerde sorun oluştursa da bu oksit katmanı korozyon (aşınma) dayanımı sağladığından (örneğin tuzlu deniz havasında) alüminyum iletkenlerin de bakır kadar dayanıklı olduğu görülür.
Büyük açıklıklı yüksek gerilim hava hatlarında, ülkemizde ACSR çelik-alüminyum iletkenler (Aluminum Conductor Steel-Reinforced) kullanılmaktadır.
2.5.1.1. Çelik özlü alüminyum iletkenler
Çelik özlü alüminyum iletkenlerin (St-Al iletken) yapısı, ortasında galvanizli çelik damarlardan yapılmış bir göbek ve etrafı alüminyum damarlardan oluşmuş, bir ya da daha fazla tabakadan meydana gelen damarlar şeklindedir. St-Al iletkende ortadaki çelik göbek iletkenin mukavemetini arttırdığından kopma mukavemeti alüminyum iletkene nazaran daha büyüktür.
Alüminyum ve çelik-alüminyum iletkenlerin birimleri, bakır iletkenlerde olduğu gibi (mm2) normunda olmayıp CM (Circular Mil) olarak belirtilmiştir. Bir CM, çapı 0,001 inç olan daire yüzeyine eşittir. Circular mil’in mm2 olarak değeri,
1CM = . 2
4 π D
= 4
π (0.001 inç)2 =
(
0, 001.25, 4)
2 5067.10 7 4π = −
mm2’dir.
Örgülü iletkenlerde, çapları eşit olan ortada bir tel ve bu telin çevresindeki katmanlarda, her bir katmanda bir önceki katmandakinden 6 fazla veya n katman sayısı olmak üzere 3.n2+3.n+1 bağıntısının verdiği sayıda tel bulunur.
Şekil 2.2 Çelik-Alüminyum iletkenin kesiti
Çelik alüminyum iletkenlerde direnç hesaplanırken çelik özün kesiti dikkate alınmaz ve yalnız alüminyum kesiti göz önüne alınır. Örgülü iletkenlerde katmanların birbirine zıt yönde sarılmış olmaları, burulma nedeniyle tellerin açılmasını önlediği gibi, zıt yönde sarılmış olan katmanlarda doğan manyetik akılar birbirini yok edeceğinden, çelik-alüminyum iletkenlerde çelik özde oluşacak kayıplar azalır.
Yüksek gerilim hava hatlarında bükülgenliği arttırmak, rüzgarın gergi noktalarında oluşturduğu titreşimler nedeniyle yorulmaları ve kopmaları önlemek için yalnız örgülü iletkenler kullanılır.
Tablo 2.2 Çelik-alüminyum (ACSR) iletkenlerin özellikleri
Gerçek kesiti Ağırlık
Anma adı
AWG ve MCM
Anma kesiti
Al/St [mm2]
Al [mm2]
St [mm2]
Toplam [mm2]
Al [kg/km]
St [kg/km]
Toplam [kg/km]
Yüklenme akımı
[A]
Swan 4 21/4 21,18 3,53 24,71 58,51 27,5 85,6 105 Swallow 3 27/4 26,69 4,45 31,14 73,2 34,6 107,8 120 Sparrow 2 34/6 33,59 5,60 39,19 92,1 43,6 135,7 140 Robin 1 42/7 42,41 7,07 49,48 116,4 55,0 171,4 165 Raven 1/0 54/9 53,52 8,92 62,44 146,8 69,4 216,2 195 Pigeon 3/0 85/14 85,12 14,18 99,30 233,5 110,4 343,9 275 Partridge 266,8 135/22 134,87 21,99 156,86 372,2 171,6 543,8 345 Ostrich 300 152/25 152,19 24,71 176,90 420,0 192,9 612,9 410 Hawk 477 242/39 241,65 39,19 280,84 666,8 306,0 972,8 540 Drake 795 403/65 402,56 65,44 468,00 1110,9 511,0 1621,9 683 Cardinal 954 485/63 484,53 62,81 547,34 1339,6 490,2 1829,8 764 Pheasant 1272 645/82 645,08 81,71 726,79 1783,8 639,7 2423,5 920
Ülkemizde, 154 Kv enerji iletim hatlarında 477 MCM (Hawk) ve 795 MCM (Drake), 380 Kv enerji iletim hatlarında ise 954 MCM (Cardinal) ve 1272 MCM (Pheasant) iletkenleri kullanılmaktadır.
2.5.1.2. Demet iletkenler
Hava hatlarında gerilim büyüdükçe ve iletken çapı küçüldükçe elektrik alan şiddeti büyüyeceğinden, korona olayı yaşanır. 220 Kv ’un üzerindeki gerilimlerde korona olayı önem kazandığından, önceleri iletken çapını büyütmek amacıyla içi boş iletkenler kullanılmıştır. Daha sonra her faz için bir yerine birden çok demet iletken kullanılarak iletken çapının büyütülmesi yoluna gidilmiştir.
380 Kv üzerindeki gerilimlerde demet iletkenler kullanılmadan büyük güçleri iletme olanağı yoktur. Ülkemizde 380 Kv’luk gerilim için ikili, üçlü ve dörtlü demet iletkenler kullanılmaktadır [16,17].
2.5.2. Enerji iletim hatlarının ülkemizdeki uygulamaları
154 Kv’luk iletim hatları, standart 281 mm2 477 MCM Hawk, 468 mm2 795 MCM Drake, 546 mm2 954 MCM Cardinal ve 726 mm2 1272 MCM Pheasant olan çelik takviyeli alüminyum iletken (ACSR) ve tek veya çift devre direkleri kullanılarak tesis edilir.
154 Kv’luk hatlarda genellikle her fazda bir iletken bulunur. Çok yüksek talep bölgelerinde iletim hatlarının kapasitesini arttırmak için 154 Kv’luk ikili demet cardinal iletkenli, çift devre stratejik kısa hatlar tesis edilir. Havai hatların güzergahının temin edilemediği yoğun yerleşim bölgelerinde standart olarak 154 Kv, 630 mm2 veya 1000 mm2 kesitli XLPE bakır iletkenli yeraltı kabloları tesis edilir.
380 Kv’luk iletim hatları ise standart 954 MCM Cardinal (546 mm2) ve 1272 MCM Pheasant (726 mm2) kesitli, her bir fazda iki veya üçlü demet halinde çelik takviyeli (ACSR) alüminyum iletkenler kullanılarak tesis edilir.
2.5.2.1. İletim hatlarında çaprazlama
Enerji iletim hattı direklerin travers modellerine göre, çoğu kez faz iletkenlerinin aralarındaki açıklıklar birbirine eşit değildir. Bunun sonucu olarak, her fazın diğer fazlara göre açıklığı aynı olmayacak ve her fazın karşılıklı endüktans (reaktans) bileşeni de birbirinden farklı değer alacaktır. Hattın faz endüktanslarının (reaktanslarının) simetrik olmaması halinde hat boyunca gerilim düşümleri eşit olmayacak ve hat sonunda gerilim dengesizliği (asimetrisi) ortaya çıkacaktır. Bu sakıncayı gidermek için uzunluğu 120 km’nin üzerindeki 380 Kv’luk hatlar için, hattın uzunluğu boyunca bir tam üç faz çaprazlama yapılır. 45 km’nin üzerindeki 154 Kv’luk hatlar için de, hattın uzunluğu boyunca bir tam üç faz çaprazlama yapılır.
Şekil 2.3’de 154 Kv’luk ve 380 Kv’luk iletim hatları için çaprazlama işlemi gösterilmiştir [15].
Şekil 2.3. İletim hatlarında çaprazlama ( a ) 380 Kv’luk iletim hattının çaprazlaması ( b ) 154 Kv’luk iletim hattının çaprazlaması
2.5.3. Koruma telleri
Hava hatlarında kullanılan direklerin topraklanmasında zeminin yüksek özgül direncinden dolayı tehlikeli gerilimlerin oluşmasına engel olmak için kısa devre arızasının olduğu direğin civarında meydana gelen akımların, koruma teli vasıtasıyla arıza noktasından uzakta bulunan topraklanmış direklerden toprağa geçmesinin sağlanması gerekir.
Bu bakımdan arızalı direkteki toprak akımının diğer direkler vasıtası ile toprağa geçmesini sağlamak için koruma teli kullanılır. Koruma hattı belli bir dirence sahip olduğundan kısa devre arızasının olduğu yerden uzakta olan direklerden yakında olanlar kadar bir akım akmaz. En büyük akım arızanın olduğu direkten akar [16].
Koruma tellerinin yıldırım akımlarını da toprağa akıtma fonksiyonu bulunmaktadır.
İletim hattını yıldırımdan korumak için direklerin tepe noktalarına üç faz iletkene ilave olarak galvanizli çelik toprak teli tesis edilir. Genel olarak, 380 Kv’luk standart direklerde hatları korumak için iki adet toprak teli kullanılır. 154 Kv’luk hatlar, direk tasarımına bağlı olarak bir veya iki toprak teli ile korunur. Standart olarak, 154 Kv’luk ve 380 Kv’luk hatlarda sırasıyla 70 mm2 ve 96 mm2’lik koruma iletkenleri kullanılır.
2.5.4. İzolatörler
İletim hatlarının faz iletkenleri için uygun izolasyon seviyelerini sağlamak amacıyla zincir tipi porselen, cam veya fiber izolatörler kullanılır. Hava hatlarında işletme güvenliği ve sürekliliği büyük ölçüde hattın yalıtımına bağlıdır.
İzolatörler iletkenleri taşımak, iletkenleri birbirlerine bağlamak ve metal kısımlara karşı yalıtmak amacıyla kullanıldıklarından, elektriksel ve mekaniksel olarak zorlanırlar. Bu nedenle, izolatörlerde elektriksel atlama ve delinme olmamalı, mekanik zorlanmalara dayanmalıdır [15].
Elektriğin, izolatörün yüzeyinden ani ve kesintili olarak atlaması veya sıçraması kıvılcım şeklinde olur. Elektrik akışı sürekli olursa, ark baş gösterir. İzolatörün yalıtkanlığı yetersiz ise, izolatörün içinden boşalma olur ve bu boşalma izolatörün delinmesine yol açar.
Yüksek gerilim güç sistemlerinde kullanılan açık hava izolatörleri, şebeke frekansında normal işletme gerilimi ile sistemde meydana gelen iç aşırı gerilimlere dayanabilmelidir. İzolatörler, elektriki özelliklerinin yanında büyük mekanik yüklere
de dayanmalıdır. Cam izolatörler enerji iletim sisteminde zincir izolatörü olarak büyük bir uygulama sahası bulmuştur.
İzolatörlerin yüzeyleri aşınma ve karbonlaşma ile çabuk bozulmaya meyillidir. Son zamanlarda karbonlaşmayan böylece açık havada kullanılabilen epoxy’den yapılmış maddeler geliştirilmiştir. Bu maddenin yüksek mekanik mukavemeti, cam elyafı ile takviye edildiğinde aynı mekanik yük için izolatör ağırlığında %30’a kadar bir azalma olmaktadır. Ayrıca bu maddeye porselenden daha kolay bir şekilde istenilen profil verilebilmektedir.
2.6. İletim Hat Parametreleri
İletim hat parametreleri, güç sisteminde gerilim düşümü hesabı, yük akışı, stabilite, kısa devre, transient (geçici rejim) analizlerinde ve hatların farklı yüklenme koşulunda performansını değerlendirmede kullanılır. Bu tür analizlerin sağlıklı bir şekilde yapılabilmesi için enerji iletim hatlarının elektriksel karakteristiklerini ifade eden hat parametrelerinin doğru hesaplanması gerekir.
Enerji iletim hatlarının karakteristik performansını etkileyen elektriksel hat parametreleri direnç, endüktans, kapasitans ve kaçak geçirgenliktir. Kaçak geçirgenlik hatlarda uygulanan izolasyon sayesinde ihmal edilebilir. Hat parametrelerinin belirlenmesi hattın uzunluğuna, iletken tipine ve faz iletkenlerinin birbirlerine göre konumlarına bağlıdır [19].
2.7.Per-Unit Değerler
Devre hesapları gerçek değerlerle yapılabildiği gibi, bunları temsil eden Per-Unit değerlerle de yapılabilirler. Hesaplamaların herhangi bir kademesinde arzu edilirse gerçek değerlere dönmek her zaman için mümkündür [20].
Gerçek bir elektriksel değerin, referans (Baz) olarak seçilen bir değere oranı elektrik mühendisliğinde ‘per-unit (pu)’ ifadesi olarak kabul görmüş olup, bunun 100 katı ise
% olarak adlandırılmıştır.
Per-unit = GerçekDeğer
BazOlarakAlınanDeğer (2.1)
% Değer = 100*(per-unit) (2.2)
Elektrik sistemlerinin per-unit cinsinden hesplanması, yapılan işi oldukça basitleştirir. Metodun bazı üstünlükleri kısaca aşağıdaki gibi sıralanabilir.
1 ) Şebeke analizleri, eşdeğer devrede verilen empedansların normal sistemdeki gerilim çeşitliliğine bakılmaksızın birbirine ilave edilebilmesi nedeniyle oldukça basitleşir.
2 ) 3 faktörü üç fazlı sistem hesaplarında hiçbir şekilde kullanılmamaktadır.
3 ) Elektriksel cihazların işletme karakteristiklerindeki farklılıklar pu olarak ifade edilen sabitlerin karşılaştırılması ile belirlenebilir.
4 ) Elektrik cihazlarının nominal değerleri ne kadar farklı olsa da pu değerleri birbirine çok yakın olup, hesaplarda rahatlıkla kullanılacak değerler bulunabilir.
5 ) Benzer elektrikli cihazların parametreleri oldukça dar bir bölgeye düştüğünden makine sabitleri ortalama olarak bulunabilir.
6 ) Farklı sistemlerdeki gerilim düşümü, güç kaybı gibi değerleri karşılaştırmak çok kolaydır.
Elektrik sistemindeki elemanların (Jeneratör, Transformatör, Motor vb.) empedans değerleri yaygın olarak % şeklinde verilirken, hesaplar genelde per-unit değerler ile yapılır.
Akım, gerilim, güç ve empedans büyüklüklerinin birbirleri ile ilişkisi nedeniyle herhangi ikisinin (yaygın olarak gerilim ve güç) baz olarak alınması halinde, geriye kalan diğer ikisi kolaylıkla hesaplanabilir.
Baz değer olarak seçilen büyüklükler kullanılarak, diğer baz değerler tek fazlı ve üç fazlı şebekeler için ayrı ayrı hesaplanabilir.
2.7.1. Tek fazlı şebekelerde per-unit değerlerin hesaplanması
Tek fazlı şebekelerin herhangi bir noktasındaki güç, özellikle yaygın olarak kullanılan bir güç ile herhangi bir gerilim baz alınarak diğer iki büyüklük, akım ve empedans hesaplanabilir.
I BAZ =
( )
1 BAZBAZ
S V
∅ [A] (2.3)
ZBAZ = BAZ BAZ
V
I [Ω] (2.4)
olup, akımın yukarıda bilinen değeri son ifadede yerine konularak
ZBAZ =
( )
( )
2
1 BAZ
BAZ
V
S∅ [Ω] (2.5)
olarak bulunur. Diğer taraftan hesaplarda gerektiğinde
( )
S1∅ BAZ =( )
P1∅ BAZ =( )
Q1∅ BAZ (2.6)olarak alınabilir.
Bu tanıma benzer olarak empedans, direnç ve reaktans baz değerleri de birbirine eşit alınabilir.
ZBAZ = RBAZ = XBAZ (2.7)
İster tek fazlı isterse üç fazlı şebekeler olsun, transformatörlerin primer ve sekonder taraftaki empedansların per-unit değerleri istisnasız birbirine eşittir.
2.7.2. Üç fazlı şebekelerde per-unit değerlerin hesaplanması
Üç fazlı şebekeler hesaplarda kolaylık olsun diye, faz iletkeni ile nötr iletkeninden meydana gelmiş tek devre şeklinde gösterilir.
Bu durumda üç fazlı verilen (güç ve gerilim) tek fazlı olarak hesaplanması gerekmektedir. Bilindiği gibi üç fazlı sistemde güç, tek fazlı sistemdeki gücün üç katı, fazlar arası gerilim ise faz-nötr geriliminin 3 katıdır. Gerçek değerlerdeki bu oran, per-unit olarak bulunan/hesaplanan değerlerde yoktur. Yani üç fazlı gücün, üç fazlı sistemde seçilen bir baz gücüne oranı tek fazlı sistemdeki bir gücün bu sistemdeki baz gücü oranına eşittir.
(Per-Unit) 1∅ = (Per-Unit) 3∅ (2.8)
Benzer şekilde üç fazlı sistemde fazlar arası gerilimin bu sistemde seçilen fazlar arası bir baz gerilimine oranı, tek fazlı sistemde faz-nötr geriliminin bu sistemde seçilen tek fazlı (faz-nötr) baz gerilimi oranına eşittir. Tek fazlı alternatif akım şebekelerinde olduğu gibi, üç fazlı alternatif akım şebekelerinde de seçilen (baz güç ve baz gerilim) değerler kullanılarak baz akım ve baz empedans değerleri aşağıdaki gibi hesaplanır.
I BAZ =
( )
33.
BAZ
BAZ
S U
∅ [pu]
(2.9)
Z BAZ = BAZ
BAZ
U
I [Ω]
(2.10)
olup, akımın yukarıda bilinen değeri son ifadede yerine konularak
Z BAZ =
( )
( )
2
3 BAZ
BAZ
U
S ∅ [Ω]
(2.11)
olarak bulunur.
Diğer taraftan hesaplarda tek fazlı şebekelerde olduğu gibi gerektiğinde
( )
S3∅ BAZ =( )
P3∅ BAZ =(
(2.12))
3 BAZ
Q ∅
olarak alınabilir.
Elektrik sisteminde kullanılan Jeneratör, Transformatör, Motor vb. elektrik teçhizatının per-unit değerleri genelde kendi nominal değerleri kullanılarak hesaplanır ve etiketine yazılır ya da ilgili dokümanlarla birlikte verilir. Şayet bu elemanlardan oluşan bir şebekede çeşitli amaçlar için bir hesap (gerilim düşümü, akım dağılımı, yük akışı, kısa devre) yapılacak ve sistemde seçilen baz değerler de bu elemanların baz değerlerinden farklı olacak ise, mevcut per-unit değerlerin yeni baz değerlerine göre hesaplanması gerekir. Yani şebekenin bütün elemanlarının per- unit değerlerinin aynı baz değerlerine göre olması gerekir [21].
Güç sistemi benzetiminde yaygın olarak kullanılan analiz, yük akışı analizidir. Yük akışı problemi, güç sistemlerinin tüm tüketim baralarındaki tüketimi karşılamak amacıyla üretim tesislerinde üretilen enerjinin, iletim hatlarında ve transformatörlerdeki akışının analizlerle hesaplanmasıdır.
Güç sistemlerinde iletim hatlarının ve transformatörlerin aşırı yüklenmemesi, tüm baralardaki gerilimlerin belirli limitler içinde kalması ve jeneratörlerin reaktif üretimlerinin kabul edilebilir sınırlar içerisinde kalması gereklidir.
Yük akışı analizleri mevcut güç sistemlerinin planlanmasında, kontrolünde ve işletmesinde kullanıldığı gibi, uzun dönemdeki güç sistemleri planlanmasında da kullanılır.
Güç sistemlerinin sağlıklı bir şekilde işletilebilmesi, yeni üretim ve/veya tüketim tesislerinin sisteme ilavesinin ya da ilave edilen iletim hattının devreye girmeden önce etkilerinin bilinmesine bağlıdır. Yük akışı analizleri ile güç faktörünün ve baralardaki gerilimlerin yükseltilmesi için kapasitörlerin sisteme konulacağı en uygun yerin ve kapasitelerinin belirlenmesi de mümkündür [22].
Güç sistemi işletmesinde, yük akışı analizi ile belirlenen işletme koşulunda sistemdeki aşırı yüklenen hatların ve iletim limitlerinin belirlenmesi mümkündür.
Sistemdeki bir iletim hattının veya jeneratörün devre dışı olmasının etkisini incelemek için yapılan kısıtlılık analizi ile sistem güvenirliliği test edilir.
Kısıtlılık analizi, güç sistemlerinde bulunan herhangi bir elemanın devre dışı olması durumunda (n-1 kriteri) sistemde diğer elemanların aşırı yüklenmesinden dolayı
herhangi bir enerji kesintisi olmaksızın güç sisteminin belirli limitler dahilinde işletilebilirliğinin incelenmesidir.
3.1. Yük Akışı Analizi
Yük akışı, güç sistemi tasarımının ve analizlerinin temelini oluşturur. Güç sistemi planlanmasında ve işletilmesinde yük akışı analizleri gereklidir. Bunun yanında transient ve kısıtlılık analizleri gibi diğer analizler için de ilk adımı oluşturur.
Yük akışı analizleri için bilinmesi gereken temel veriler [23,24];
1. İletim hatlarının empedansları ve şarj admitansları 2. Transformatör empedansları ve tap ayar değerleri
3. Statik kapasitör veya reaktör gibi şönt bağlı teçhizatların admitansları 4. Sistemde bulunan her bir baradaki tüketim (Yük)
5. Her bir jeneratörün üretim kapasitesi
6. Jeneratör baralarının gerilimi veya jeneratörlerin reaktif üretimleri 7. Jeneratörlerin maksimum ve minimum reaktif üretim limitleridir.
Yukarıdaki verilerle;
1. Sistemdeki her bir baranın bilinmeyen geriliminin genliği 2. Her bir baradaki faz gerilimi
3. Reaktif üretimi bilinmeyen her jeneratörün reaktif üretimi
4. Her bir iletim hattında ve transformatördeki aktif, reaktif güç akışı ve akımlar hesaplanabilmektedir.
3.1.1. Bara tipleri
Yük akışı problemini çözerken, sistem dengede ve sürekli hal koşulları altında çalıştığı varsayılır ve iletim sistemi elemanları pozitif bileşen değerleri kullanılır.
Enerji iletim sistemlerinde her bir baranın özellikleri, dört değişken ile tanımlanır.
Bunlar, gerilim büyüklüğü(genlik) |V|, gerilim açı değeri δ ,aktif güç P ve reaktif güç Q’dur. Sistem baraları genel olarak üç tipe ayrılır [25,26].
1. Salınım (Slack) Barası : Yük akışı analizinde referans bara olarak alınan bu barada, |V| ve δ bilinen değişkenlerdir. Diğer değişkenler P ve Q hesaplanır.
2. Yük Barası : PQ barası olarak ta adlandırılan bu barada P ve Q bilinen, |V| ve δ ise bulunmaya çalışılan değişkenlerdir.
3. Gerilim Kontrollü Bara veya Jeneratör Barası : Bu tip baralarda P ve V bilinir.
Jeneratör, statik kapasitör vb. sistem elemanlarının bağlı olduğu bu baradaki Q limitleri ile gerilim sabit tutulabilir.
3.1.2. Düğüm denklemi
Devreler teorisinden bilinen n baralı sistem için akım gerilim ilişkisi bara admitans matrisi ile
I bara =Y baraV bara (3.1)
yazılabilir. Burada I bara akım vektörünü V bara ise gerilim vektörünü ifade eder.
Yukarıdaki eşitlik matris formunda yazılırsa;
1 2
n
I I
I
L =
1
11 12
21 22 2
1 2
n n
n n nn
Y
Y Y
Y Y Y
Y Y Y
L L L
L L L
L
1 2
n
V V
V
L (3.2)
Eş.3.2 ifadesi elde edilir.Yii self admitans, Yij ortak (transfer) admitanstır.
[Y] matrisinin köşegen elemanlarını oluşturan self admitans veya driving point admitans, baraya bağlı tüm admitansların toplamına eşittir ve Eş.3.3 ile gösterilir.
Y ii = 0 n
ij j
y
=
∑
j ≠ i (3.3)[Y] matrisinin köşegenleri dışındaki elemanları oluşturan ortak (transfer) admitansı ise baralar arasındaki admitansın negatif değerine eşittir (Eş.3.4).
Y ij =Y ji = -y ij (3.4)
Baralara akan akımlar bilindiği takdirde Eş.3.2 ifadesi kullanılarak bara gerilimleri hesaplanır.
3.1.3. İterasyon metotları
Yük akışı problemi çok sayıda lineer olmayan denklemlerden oluştuğundan, çözümleri için iterasyon metotlarının kullanılması gerekir. Yaygın olarak kullanılan metotlar Gauss-Seidel, Newton-Raphson ve fast –decoupled (ayrık-hızlı) Newton- Raphson metotlarıdır [22].
3.1.3.1. Gauss-seidel metodu
Bu metot ile, bilinmeyenlerin başlangıç değerleri tahmin edilir, birinci eşitlikte elde edilen değer V1, ikinci eşitlikte yerine konarak V2’nin hesaplanması için kullanılır.
Bu işlem, her eşitlik için, yakınsama kriterini sağlayana kadar devam eder [22,25,26].
Gauss-seidel metodu ile yük akışı problemi aşağıda anlatıldığı gibi çözülür :
Eş.3.1 ve Eş.3.2 eşitliklerindeki bilinmeyenlerin [V bara] olduğunu kabul edelim.
Eş.3.2 eşitliğinde gerilim değerleri yalnız bırakılırsa, Gauss-seidel iterasyon denklemleri
V1(i+1) =
11
1
Y ( I1(i) – Y12V2 (i)-….-Y1nVn(i) ) (3.5) V2(i+1) =
22
1
Y ( I2(i) – Y21V1 (i)-….-Y2nVn(i) ) (3.6)
Vn(i+1) = 1
Ynn ( In– Yn1V1 (i+1) – Yn2V2 (i+1) –….–Ynn-1Vn-1(i+1) ) (3.7) elde edilir. Eş.3.5-Eş.3.7 eşitliklerindeki In yerine,
In = n * n
n
P jQ V
− (3.8)
yazılabilir.
Eş.3.7 ve Eş.3.8 ile ifade edilen eşitlikler, sistemdeki tüm yük baraları için uygulanır.
Yük baralarında P ve Q değerleri bilindiğinden V değerleri bulunmaya çalışılır.
Slack baranın gerilimi bilindiği için onun geriliminin hesaplanmasına gerek yoktur.
Güç sisteminde n bara olsun. k.ncı yük barası için Gauss-Seidel iterasyon denklemi
Vk(i+1) = 1
Ykk ( k ( )*i k
k
P jQ V
− – Yn1V1 (i+1) – Yn2V2 (i+1) –….–Ynn-1Vn-1(i+1) ) (3.9)
elde edilir. Eş.3.9 eşitliği i=0’dan başlayarak Vk(1) hesaplanır. Bu işlem
| Vk(k+1) – Vk(k) | <Cv (3.10)
sağlanana kadar devam eder.
Eş.3.10 ile ifade edilen eşitlik gerilim yakınsama kriterini gösterir. Tüm yük baraları için (k+1) ile (k) iterasyonları arasında hesaplanan gerilim değişimini gösterir. Cv
değeri 0,001 ile 0,0001 arasında alınır [27].
Bu metot ile sistemdeki jeneratör baraları için yük akışı çözümü farklıdır.Jeneratör baralarında Q yerine V bilinmektedir. Q değeri jeneratörün reaktif üretimi ile sınırlıdır ve Qmaksimum ile Qminimum arasında bir değerdir. Q’nun hesaplanması gerekir.
Bara sayısı n olan bir sistemde m. bara jeneratör barası olsun. Bu baraya verilen kompleks güç,
Sm = Vm Im * = Pm +jQm’dir. (3.11)
Başka bir ifadeyle,
Im = m * m
m
P jQ V
− = Ym1V1+ Ym2V2 +Ym3V3+…..+YmnVn (3.12)
yada
Pm –jQm = Vm(i)* ( ) 1 n
i mj j
Y Vj
=
∑
(3.13)yazılabilir. Eş.3.13 eşitliğinin sanal kısmı alınırsa
Qm = –Im (Vm(i)* ( ) 1 n
i mj j
Y Vj
=
∑
) (3.14)elde edilir. Burada tüm gerilim değerleri yerlerine konularak Qmdeğeri bulunur.
Bulunan değer Qmaksimum değerinden büyükse Qm=Qmaksimum, küçükse Qm=Qminimum
değeri alınır. Hesaplanan Qm, Eş.3.9 eşitliğinde yerine konarak gerilim hesaplanır.
Hesaplanan gerilimin genlik değeri jeneratörün maksimum gerilim değerinden büyükse jeneratörün maksimum gerilimi, küçükse minimum değeri alınır. Her iki durumda da gerilim açı değeri sabit tutulup bir sonraki iterasyonda kullanılır [28].
Yukarıda tüm yük ve jeneratör baraları için iterasyonlar Eş.3.10 ile gösterilen eşitliği sağladıktan sonra slack salınım barası için yük akışı şöyle hesaplanır:
i ve j barasını bağlayan hattın seri admitansı ve şarj admitansı olsun.
Yij = g ij +jb ij (3.15)
i barasındaki toplam kompleks güç
